【正文】 paths and by caching and processing data in work. This article describes the directed diffusion routing protocol and the realization of its principle, we built environment and design the experimental programs in the NS2 work simulation platform in order to analyze the trace data and found the topology of that nerwork, and pared it with flooding. After that, we annayleze the results and the expected results to furtherly deepen our understanding of DD routing protocols. Keywords: Wireless sensor works, Routing protocol, Directed Diffusion, NS22020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒 論 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 作為全球未來十大技術(shù)之一的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)開始受到人們的重視。同年，美國《商業(yè)周刊》未來技術(shù)專版，論述四大新技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。 與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有自己的特點。將中間節(jié)點作為中繼器使用，可以減少需要的總能量。近年來隨著無線通信、為處理器等技術(shù)的發(fā)展，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想藍(lán)圖能夠得以實現(xiàn)，其應(yīng)用前景越來越廣，國外各個研究機(jī)構(gòu)對它的研究也正方興未艾。 我國在無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作才剛剛起步，可見成果較少。因此必須涉及出適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特定的路由協(xié)議。 論文的組織 傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議。 論文第 3 章是對定向擴(kuò)散算法的分析，包括興趣的傳播、梯度的建立、數(shù)據(jù)傳輸和路徑加強(qiáng)幾個方面。 第 5 章 是結(jié)論部分，對本次設(shè)計作總結(jié)并對下一步工作提出了展望。 大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在檢測區(qū)域 (sensor field)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與 Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。傳感器網(wǎng)路是集成了檢測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集：由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障：環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化：通常情況下，大多數(shù) 傳感器節(jié)點是固定不動的。傳感器節(jié)點間的通信連接經(jīng)常因為傳感器節(jié)點能源耗盡而斷開，因此應(yīng)盡量減少能量損耗，可以說能耗問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的幾個重點問題之一。低功耗，節(jié)點通常攜帶能量有限的電池。 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ 4）尋址以數(shù)據(jù)為中心：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)以 IP 地址為中心進(jìn)行尋址，每個節(jié)點擁有全網(wǎng)唯一的 IP 地址。 （ 6）通信能力有限：傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。其相應(yīng)的感知數(shù)據(jù)量也將非常巨大，而且數(shù)據(jù)傳輸又有實時性的要求。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅列出部分關(guān)鍵技術(shù)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇壳爸饕难芯繂栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通度的前提下，通過功率 控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 6 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂?，人們也提出了啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機(jī)制。同時，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不要根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。為了減少能量的消耗， MAC 協(xié)議通常采用“偵聽 /睡眠”交替的無線信道偵聽機(jī)制，傳感器節(jié)點在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時就盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如何保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕统蔀闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題需要全面考慮的內(nèi)容。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。信標(biāo)節(jié)點的位置是已知的，位置未知節(jié)點需要根據(jù)少數(shù)信標(biāo)節(jié)點，按照某種定位機(jī)制確定自身的位置。根據(jù)測量節(jié)點間距離或方位時所采用的方法，基于距離的定位分為基于 TOA 的定位、 基于 TDOA 的定位、基于 AOA 的定位、基于 RSSI 的定位等。距離無關(guān)的定位機(jī)制的定位性能受環(huán)境因素的影響較小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足 多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，是目前大家重點關(guān)注的定位機(jī)制。研究的目標(biāo)是設(shè)計低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點?？刂菩詳?shù)據(jù)越少能量損耗越少，控制性數(shù)據(jù)越多能量損耗越多，從而影響到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間，可以說 “ 路由算法 ” 是網(wǎng)絡(luò)層的最核心內(nèi)容。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居節(jié)點的位置；任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。 路由協(xié)議概述和分類 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點的能力消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。 （ 3）以數(shù)據(jù)為中心。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有一個路由機(jī)制適合所有的應(yīng)用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)性的一個體現(xiàn)。傳感器節(jié)點的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制要能夠簡單而且高效地實現(xiàn)信息傳輸。能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的 失敗，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點等，這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠性要求路由機(jī)制具有一定的容錯能力。 主動路由協(xié)議與被動路由協(xié)議：根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略，可分為主動路由和被動路由兩種類型 [4,5]。而且，動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路由更新變成過時信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。在距離矢量算法中，雖然沒有顯示的鄰居節(jié)2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 點探測過程，但在與鄰居節(jié)點交換距離向量路由表時，隱含了鄰居節(jié)點探測。當(dāng)沒有分組傳遞請 求時，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。 被動路由協(xié)議主要包括“路由發(fā)現(xiàn)”和“路由維護(hù)”兩個過程。這樣，在源與目的節(jié)點之間會建立起雙向的“活動路徑”。 被動路由協(xié)議是自組網(wǎng)特有的路由協(xié)議類型，它可以降低功耗，提高網(wǎng)路的吞吐量。 圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類 平面路由協(xié)議：平面路由協(xié)議中，節(jié)點間地位平等，通過局部操作和反饋信息來生成路由。 DD 是以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議的一個重要的里程碑，體現(xiàn)了根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來建立優(yōu)化路徑的思想。層次路由協(xié)議 中簇的形成通常是基于節(jié)點的能量和其與簇間的距離。 LEACH(Lowenergy adaptive clustering hierarchy)是第一個基于多簇結(jié)構(gòu)的集群路由協(xié)議，它的成簇方法貫穿于其后提出的很多層次路由協(xié)議中，如 TEEN、 PEGASIS 等。節(jié)點當(dāng)選簇頭以后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點自己是簇頭。這個用于當(dāng)前階段的 CDMA 編碼連同 TDMA 定時一起發(fā)送。 從具體應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)不同應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)各種特性敏感度不同，可將路由協(xié)議分為四種類型，它們分別是： （ 1）能量感知路由。 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 2）基于查詢的路由協(xié)議。 （ 3）地理位置路由協(xié)議。 基于地理位置信息的最優(yōu)路徑確認(rèn)機(jī)制是將角度、距離等位置信息作為一個路徑選擇準(zhǔn)則而建立路由。其實際上是一個提供軟實時端到端速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制及負(fù)載均衡的 QoS 路由協(xié)議。本文主要針對平面路由協(xié)議中的定向擴(kuò)散協(xié)來進(jìn)行研究。但非簇頭節(jié)點仍然會在整個過程中進(jìn)行分組的監(jiān)聽和接收，并沒有采用合理的休眠機(jī)制。但由于其缺乏足夠的拓?fù)湫畔?，路由過程中可能遇到路由空洞，反而降低了路由效率。路徑建立過程中，節(jié)點只需了解其相鄰節(jié)點的情況，是一種完全基于局部控制的路由技術(shù)。在定向擴(kuò)散為路由的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由傳感器節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以屬性值對命名。在這個過程中，中間節(jié)點可以存儲或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也可基于先前告訴緩存的數(shù)據(jù)指向興趣。數(shù)據(jù)以屬性值對命名。傳感器加強(qiáng)其中的一條或幾條以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸。這種命 名方式的靈活性對于擴(kuò)散算法的設(shè)計是非常重要的。因此，應(yīng)用程序可以訂閱“東南方向區(qū)域有關(guān)測量地震的傳感器 ”，而不是傳感器 15 和 35，或者主機(jī) 10. 1. 2. 40 和 10. 2. 1. 88。例如，描述一個 任務(wù) 的屬性數(shù)值對列表。例如，檢測到一個動物的傳感器可能產(chǎn)生如下數(shù)據(jù)： 類型 =四足動物 //看到的動物類型 實例 =大象 //實例的類型 位置 =[125， 220] //節(jié)點位置 強(qiáng)度 = //信號幅值測量 置信度 = //匹配的 置信度 時間信息 =01： 20： 40 //事件的產(chǎn)生時間 對于本文所用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)選擇了一個基于屬性和數(shù)值命名方案的屬性數(shù)值對。因此，在定向擴(kuò)散協(xié)議中，命名方案的選擇也很重要。數(shù)據(jù)擴(kuò)散算法無需全局統(tǒng)一標(biāo)志，而依賴于本地節(jié)點的路由機(jī)制以及對網(wǎng)絡(luò)傳輸中消息的處理 。中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)接收到的興趣分組給其鄰居節(jié)點。與兩階段拉相似，數(shù)據(jù)接收者對第一個發(fā)送探測數(shù)據(jù)的節(jié)點發(fā)送增益消息，則創(chuàng)建了具有增益的梯度，隨后的數(shù)據(jù)則沿著有增益的梯度傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收者。圖 描述了這三種算法中數(shù)據(jù)源和接收者之間的交互過程，它們分別使用在不同的 應(yīng)用領(lǐng)域中。每個興趣可能對應(yīng)多個鄰居節(jié)點，每個鄰居節(jié)點對應(yīng)一個梯度信息。如果有對應(yīng)的表項，就更新表項的有效時間值；如果只是參數(shù)類型相同，但不包含發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點，就在相應(yīng)表項中添加這個鄰居節(jié)點；對于任何其他情況，都需要建立一個新表項來記錄這個新的興趣。假定一個任務(wù)有指定的類型和坐標(biāo)，持續(xù)時間為 10 分鐘而間隔為 10ms，間隔參數(shù)指明了一個事件數(shù)據(jù)率；這樣，相當(dāng)于指定的數(shù)據(jù)率是每秒 100 個事件。 梯度的具體內(nèi)容可以 根據(jù)需要進(jìn)行選擇， DD 協(xié)議討論了 2 種形式的梯度 [ 8]。 （ 2）基于傳輸數(shù)據(jù)率的梯度。這個最初的興趣包括指定的坐標(biāo)和持續(xù)時間屬性，也包括一個間隔屬性。具體做法是，匯聚節(jié)點以一個單調(diào)增加的時間信息屬性簡單重發(fā)相同的興趣，因為興趣不會通過網(wǎng)絡(luò)可靠地傳輸。 興趣緩沖區(qū)的興趣表項有幾個字段。這個興趣表項有一個梯度以指定的事件數(shù)據(jù)率指向收到興趣的鄰居。 丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 20 下面描述梯度的使用狀況。當(dāng)一個興趣表項的所有梯度都終止時，興趣表項本身就會被從緩沖區(qū)撤銷。不是所有收到的興趣都被轉(zhuǎn)發(fā)，如果一個節(jié)點最近發(fā)出了一個興趣，那么它可能會丟棄新收到的一個同樣的興趣。 //節(jié)點的 X 坐標(biāo) int y。 途中的 I1， I2和 I3分別表示不同的興趣。 沒有匹配的興趣表項或有興趣表項但不存在梯度的情況： 時 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 尺 寸 、 坐 標(biāo)鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 0鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y時 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類 型鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y收 到 鄰 節(jié) 點 1 的 興 趣 圖 沒有匹配興趣表項或有興趣表項但沒有梯度時興趣表項變化圖 沒有匹配的興趣表項時，節(jié)點會新建一個興趣 表項 并加入相應(yīng)的屬性信息；而有興趣表項但不存在梯度時，節(jié)點就在相應(yīng)的興趣表項添加梯度，并更新時間信息和終止時間。 這樣重復(fù)進(jìn)行，興趣報文被廣播到整個網(wǎng)絡(luò)。 圖 基本梯度生成算法的有限狀態(tài)機(jī)描述 首先， sink 節(jié)點會生成一個 興趣報文，這個興趣描述了所要查詢的數(shù)據(jù)的屬性，然后把興趣 “注入” 到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中去。當(dāng)中間節(jié)點第一次收到這個興趣報文的時候， 它把這個興趣報文放置到興趣緩沖區(qū)當(dāng)中， 建立指向興趣轉(zhuǎn)發(fā)者的梯度，進(jìn)行一個服從某個均勻分布的很小的隨機(jī)延時，延時結(jié)束后再把興趣報文廣播到自己的鄰居。 這樣興趣報文就會在整個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行廣播， 到達(dá)廣播域中的每一